1. Lazerio generavimo principas
Atomo sandara yra tarsi maža Saulės sistema, kurios atomo branduolys yra viduryje. Elektronai nuolat sukasi aplink atomo branduolį, o atomo branduolys taip pat nuolat sukasi.
Branduolį sudaro protonai ir neutronai. Protonai yra teigiamai įkrauti, o neutronai – neįkrauti. Teigiamų krūvių, kuriuos neša visas branduolys, skaičius yra lygus neigiamų krūvių, kuriuos neša visi elektronai, skaičiui, todėl atomai paprastai yra neutralūs išorinio pasaulio atžvilgiu.
Kalbant apie atomo masę, branduolyje sutelkta didžioji atomo masės dalis, o visų elektronų užimama masė yra labai maža. Atomo struktūroje branduolys užima tik nedidelę erdvę. Elektronai sukasi aplink branduolį, todėl jų aktyvumui skirta erdvė yra daug didesnė.
Atomai turi „vidinę energiją“, kuri susideda iš dviejų dalių: viena – elektronų skriejimo greitis ir tam tikra kinetinė energija; kita – atstumas tarp neigiamai įkrautų elektronų ir teigiamai įkrauto branduolio bei tam tikras potencialinės energijos kiekis. Visų elektronų kinetinės ir potencialinės energijos suma yra viso atomo energija, vadinama atomo vidine energija.
Visi elektronai sukasi aplink branduolį; kartais arčiau branduolio šių elektronų energija yra mažesnė; kartais toliau nuo branduolio šių elektronų energija yra didesnė; pagal atsiradimo tikimybę žmonės elektronų sluoksnį skirsto į skirtingus „energijos lygius“; tam tikrame „energijos lygyje“ gali būti daug dažnai skriejančių elektronų, ir kiekvienas elektronas neturi fiksuotos orbitos, tačiau visi šie elektronai turi tą patį energijos lygį; „energijos lygiai“ yra izoliuoti vienas nuo kito. Taip, jie yra izoliuoti pagal energijos lygius. „Energijos lygio“ sąvoka ne tik skirsto elektronus į lygius pagal energiją, bet ir skirsto elektronų orbitinę erdvę į kelis lygius. Trumpai tariant, atomas gali turėti kelis energijos lygius, o skirtingi energijos lygiai atitinka skirtingas energijas; kai kurie elektronai orbituoja „žemu energijos lygiu“, o kai kurie elektronai orbituoja „aukštu energijos lygiu“.
Šiais laikais vidurinės mokyklos fizikos vadovėliuose aiškiai pažymėtos tam tikrų atomų struktūrinės charakteristikos, elektronų pasiskirstymo kiekviename elektronų sluoksnyje taisyklės ir elektronų skaičius skirtinguose energijos lygmenyse.
Atominėje sistemoje elektronai iš esmės juda sluoksniais, kai kurie atomai yra aukštoje, o kiti – žemoje energijos lygyje; kadangi atomus visada veikia išorinė aplinka (temperatūra, elektra, magnetizmas), aukšto energijos lygio elektronai yra nestabilūs ir savaime pereina į žemą energijos lygmenį, jo poveikis gali būti absorbuotas arba sukelti specialius sužadinimo efektus ir sukelti „savaiminę emisiją“. Todėl atominėje sistemoje, kai aukšto energijos lygio elektronai pereina į žemą energijos lygmenį, bus dvi apraiškos: „savaiminė emisija“ ir „stimuliuota emisija“.
Savaiminė spinduliuotė – tai didelės energijos būsenose esantys elektronai, kurie yra nestabilūs ir, veikiami išorinės aplinkos (temperatūros, elektros, magnetizmo), savaime migruoja į mažos energijos būsenas, o energijos perteklius spinduliuojamas fotonų pavidalu. Šios rūšies spinduliuotės charakteristika yra ta, kad kiekvieno elektrono perėjimas vyksta nepriklausomai ir yra atsitiktinis. Skirtingų elektronų savaiminės emisijos fotonų būsenos yra skirtingos. Savaiminė šviesos emisija yra „nekoherentinės“ būsenos ir turi išsklaidytas kryptis. Tačiau savaiminė spinduliuotė turi pačių atomų charakteristikas, o skirtingų atomų savaiminės spinduliuotės spektrai yra skirtingi. Kalbant apie tai, primenamos pagrindinės fizikos žinios: „Bet kuris objektas turi savybę spinduliuoti šilumą, o objektas turi savybę nuolat sugerti ir skleisti elektromagnetines bangas. Šilumos skleidžiamos elektromagnetinės bangos turi tam tikrą spektro pasiskirstymą. Šis spektro pasiskirstymas yra susijęs su paties objekto savybėmis ir jo temperatūra.“ Todėl šiluminės spinduliuotės egzistavimo priežastis yra savaiminė atomų emisija.
Stimuliuotos emisijos metu aukšto energijos lygio elektronai, veikiami „sąlygoms tinkamų fotonų“, pereina į žemo energijos lygį ir spinduliuoja tokio paties dažnio fotoną, kaip ir krintantis fotonas. Svarbiausias stimuliuojamos spinduliuotės bruožas yra tas, kad stimuliuojamos spinduliuotės generuojami fotonai turi tokią pačią būseną kaip ir krintantys fotonai, generuojantys stimuliuojamą spinduliuotę. Jie yra „koherencinėje“ būsenoje. Jie turi tą patį dažnį ir tą pačią kryptį, ir visiškai neįmanoma atskirti šių dviejų skirtumų. Tokiu būdu vienas fotonas per vieną stimuliuojamą emisiją tampa dviem identiškais fotonais. Tai reiškia, kad šviesa suintensyvėja arba „sustiprėja“.
Dabar dar kartą paanalizuokime, kokių sąlygų reikia norint gauti vis dažnesnę stimuliuojamąją spinduliuotę?
Įprastomis aplinkybėmis elektronų skaičius aukštoje energijos lygmenyje visada yra mažesnis nei elektronų skaičius žemoje energijos lygmenyje. Jei norite, kad atomai skleistų stimuliuojamąją spinduliuotę, turite padidinti elektronų skaičių aukštoje energijos lygmenyje, todėl jums reikia „siurblio šaltinio“, kurio paskirtis – stimuliuoti daugiau elektronų. Per daug žemos energijos lygmens elektronų šoka į aukšto energijos lygmenį, todėl aukšto energijos lygmens elektronų skaičius bus didesnis nei žemos energijos lygmens elektronų skaičius ir įvyks „dalelių skaičiaus pasikeitimas“. Per daug aukšto energijos lygmens elektronų gali išbūti tik labai trumpą laiką. Laikas šoktels į žemesnį energijos lygmenį, todėl padidės stimuliuojamos spinduliuotės emisijos tikimybė.
Žinoma, „siurblio šaltinis“ nustatytas skirtingiems atomams. Jis priverčia elektronus „rezonuoti“ ir leidžia daugiau žemos energijos elektronų peršokti į aukštos energijos lygius. Skaitytojai iš esmės gali suprasti, kas yra lazeris? Kaip lazeris sukuriamas? Lazeris yra „šviesos spinduliuotė“, kurią „sužadina“ objekto atomai, veikiant tam tikram „siurblio šaltiniui“. Tai yra lazeris.
Įrašo laikas: 2024 m. gegužės 27 d.
